[논문 리뷰] Dataplant: Enhancing System Security with Low-Cost In-DRAM Value Generation Primitives

Lois Orosa, Yaohua Wang외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 93인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 상용 DRAM 칩 내부의 공정 변동성을 활용하여 DRAM 어레이를 수정하지 않고도 예측 불가능하고 재현 가능한 값을 생성하는 저비용의 내-DRAM 보안 원천인 Dataplant를 제안한다. 약간의 내부 타이밍 신호 조작을 통해 Dataplant는 두 가지 핵심 보안 기능을 실현한다: 기존 DRAM PUF보다 1.8배 높은 처리량을 보이며 파손 없는, 온도에 강한 PUF와, 런타임 오버헤드 없이 매 전원 켜짐마다 데이터를 파괴하는 콜드 부트 공격 방지 기능이다.

ABSTRACT

DRAM manufacturers have been prioritizing memory capacity, yield, and bandwidth for years, while trying to keep the design complexity as simple as possible. DRAM chips do not carry out any computation or other important functions, such as security. Processors implement most of the existing security mechanisms that protect the system against security threats, because 1) executing security mechanisms usually require non-trivial computational capabilities (e.g., encryption), and 2) commodity DRAM chips are not designed to perform computations or tasks other than data storage. In this work, we advocate for DRAM as a key component for providing security mechanisms to the system. To this end, we propose Dataplant, a new class of low-cost, high-performance, and reliable security primitives that can be integrated in commodity DRAM chips with minimal changes. The main idea of Dataplant is to slightly modify the internal DRAM timing signals to expose the inherent process variation found in all DRAM chips for generating unpredictable but reproducible values (e.g., keys) within DRAM. We use Dataplant to build two new security mechanisms. First, a new Dataplant-based physical unclonable function (PUF) with non-destructive read-out, low evaluation latency, robust responses, resiliency to temperature changes, and data-independent responses. Second, a new cold boot attack prevention mechanism that automatically destroys all data within DRAM on every power cycle with zero run-time energy and latency overheads. Using a combination of detailed simulations and experiments with 136 real commodity DRAM chips, we show that our Dataplant-based PUF has 1.8x higher throughput than the best state-of-the-art DRAM PUFs. We also demonstrate that our Dataplant-based cold boot attack protection mechanism is 19.5x faster and consumes 2.54x less energy when compared to existing mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 감시 데이터를 저장하는 데 핵심적인 역할을 하는 상용 DRAM 칩에서 하드웨어 수준의 보안 지원이 부족한 문제를 해결한다.
• 기존 DRAM 기반 PUF의 한계인 파손적인 읽기 방식, 높은 지연, 노이즈, 온도 민감성 등의 문제를 해결한다.
• 런타임 성능 및 에너지 오버헤드 없이 작동하는 콜드 부트 공격 방지 기제를 개발한다.
• 아키텍처 변경 없이도 상용 DRAM 칩 내부에서 직접 보안 수준의 기능을 구현할 수 있는 안전하고 저비용이며 효율적인 시스템 수준의 보안 메커니즘을 가능하게 한다.
• 기존 DRAM 타이밍에 최소한의 수정만으로 내-DRAM 원천을 적용할 수 있도록 하여 후행 호환성과 산업 보급 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 상용 DRAM 칩 내부의 본질적 공정 변동성을 활용하여, 활성화 및 센스 앰프 타이밍 등의 내부 타이밍 신호를 수정함으로써 예측 불가능하지만 재현 가능한 값을 생성한다.
• 두 가지 원천 유형을 도입한다: US-Dataplant는 센스 앰프에서 값을 생성하고, UC-Dataplant는 메모리 셀에서 값을 생성한다.
• 표준 DDR 메모리 명령과 완전히 호환되며, DRAM 어레이나 물리적 레이아웃에 대한 변경 없이 작동하도록 설계한다.
• 생성된 값을 활용해, 데이터에 종속되지 않고 온도 변화에 강건하며 낮은 평가 지연을 보이는 파손 없는, 데이터 독립적인 PUF를 실현한다.
• 단일 DRAM 명령을 사용해 매 전원 켜짐마다 데이터를 파괴하는 콜드 부트 공격 방지 기제를 구현함으로써, 런타임 에너지 및 지연 비용을 완전히 제거한다.
• 다양한 운영 조건에서 136개의 실제 상용 DRAM 칩을 대상으로 정밀한 시뮬레이션과 실험을 수행하여 접근 방식을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 DRAM 칩 내부의 공정 변동성을 활용하여, DRAM 어레이를 수정하지 않고도 암호학적으로 유용한 예측 불가능한 값을 생성할 수 있는가?
• RQ2 내-DRAM 원천은 파손 없는 읽기 방식과 온도 변화와 같은 환경적 요인에 대한 저항성을 갖춘 PUF와 같은 보안 기능을 지원할 수 있는가?
• RQ3 타이밍 신호 조작만으로도 런타임 성능 및 에너지 오버헤드 없이 콜드 부트 공격 방지 기제를 구현할 수 있는가?
• RQ4 다양한 온도와 메모리 부하 조건에서 Dataplant 기반 PUF의 처리량과 신뢰성은 최신 기술의 DRAM PUF와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 Dataplant 원천은 메모리 컨트롤러나 시스템 아키텍처 변경 없이 기존 DDR 메모리 칩에 얼마나 잘 통합될 수 있는가?

주요 결과

• Dataplant 기반 PUF는 기존 최고 수준의 DRAM PUF보다 1.8배 높은 처리량을 달성하면서도 저장된 데이터에 영향을 받지 않으며, 온도 변화에 강건하다.
• PUF 응답은 강건하고, 파손이 없으며, 데이터 독립적인 행동을 보이며, 온도 校정 또는 일정 온도 유지 운영이 필요 없어진다.
• Dataplant 기반 콜드 부트 공격 방지 기제는 이전 기법보다 19.5배 더 빠르며, 에너지 소비는 2.54배 적게 들어가며, 런타임 성능 및 에너지 오버헤드가 전혀 없다.
• 이 기제는 단일 DRAM 명령만으로 매 전원 켜짐마다 모든 데이터를 파괴하여, 사전 프리차지 및 활성화 시퀀스가 필요한 기존 대안보다 훨씬 빠르다.
• 136개의 실제 상용 DRAM 칩에 대한 평가를 통해 Dataplant의 신뢰성, 재현 가능성, 실용성이 다양한 DRAM 세대 및 제조사 간에 확인되었다.
• 제안된 원천은 DRAM 어레이에 대한 변경이 없으며, 표준 DDR 메모리 인터페이스와 완전히 호환되어 기존 시스템에 원활하게 통합될 수 있다.